엔지니어들이 더 오래 지속되는 배터리에 대한 핵심 장벽을 발견했다

리튬 니켈 산화물(LiNiO 2)은 차세대, 더 오래 지속되는 리튬 이온 배터리에 전력을 공급하는 잠재적인 새로운 소재로 부상했습니다. 그러나 이 소재의 상용화는 반복적인 충전 후 분해되기 때문에 중단되었습니다.

텍사스 대학교 댈러스 연구원들은 LiNiO 2 배터리가 고장나는 이유를 발견했으며, 이 소재의 광범위한 사용에 대한 주요 장벽을 제거할 수 있는 솔루션을 테스트하고 있습니다. 그들은 12월 10일 저널 Advanced Energy Materials 에 연구 결과를 온라인으로 발표했습니다.

연구팀은 먼저 연구실에서 LiNiO2 배터리를 제조한 다음 궁극적으로 업계 파트너와 협력하여 해당 기술을 상용화할 계획 입니다.

"LiNiO 2를 사용하여 만든 배터리의 열화는 수십 년 동안 문제였지만 그 원인은 잘 이해되지 않았습니다." Erik Jonsson 공학 및 컴퓨터 과학 대학의 재료 과학 및 공학 교수이자 Batteries and Energy to Advance Commercialization and National Security(BEACONS) 프로그램의 책임자인 Kyeongjae Cho 박사가 말했습니다.

"이제 왜 이런 일이 일어나는지 명확하게 이해했으므로, 이 기술을 사용하여 휴대전화와 전기 자동차를 포함한 다양한 제품에서 더 긴 배터리 수명을 제공할 수 있는 솔루션을 개발하고 있습니다."

이 연구는 2023년 국방부로부터 3,000만 달러를 지원받아 시작된 UTD의 BEACONS 이니셔티브 프로젝트입니다. BEACONS의 사명은 새로운 배터리 기술과 제조 공정을 개발하고 상용화하고, 중요한 원자재의 국내 가용성을 향상시키고, 확장되는 배터리 에너지 저장 인력의 일자리를 위해 고품질 근로자를 교육하는 것입니다.

LiNiO 2 배터리가 충전의 마지막 단계에서 고장나는 이유를 파악하기 위해 UT Dallas 연구원들은 계산 모델링을 사용하여 프로세스를 분석했습니다. 이 연구에는 원자 수준에서 화학 반응과 재료를 통한 전자 재분배를 이해하는 것이 포함되었습니다.

리튬 이온 배터리에서 전류는 양극인 캐소드라는 도체에서 나와 음극인 애노드로 흐릅니다. 애노드는 일반적으로 탄소 흑연으로 만들어지며, 이는 리튬을 더 높은 전위로 유지합니다.

방전하는 동안 리튬 이온은 전해질을 통해 캐소드로 돌아가 전자를 리튬이 포함된 캐소드로 다시 보내 전기를 생성하는 전기화학 반응입니다. 캐소드는 일반적으로 과학자들이 리튬 니켈 산화물을 포함한 대체 물질로 대체하려고 하는 희소한 물질인 코발트를 포함한 여러 재료의 혼합물로 만들어집니다.

UTD 연구원들은 LiNiO 2 의 산소 원자를 포함하는 화학 반응으로 인해 재료가 불안정해지고 균열이 생긴다는 것을 발견했습니다.

이 문제를 해결하기 위해 그들은 양전하 이온 또는 양이온을 추가하여 재료의 특성을 변경하고 음극을 강화하는 "필러"를 생성하여 재료를 강화하는 이론적 솔루션을 개발했습니다.

재료 과학 및 공학 박사 과정 학생이자 이 연구의 첫 번째 저자인 매튜 버그슈나이더는 설계된 기둥형 LiNiO 2 양극의 고처리량 합성 공정을 탐구하기 위해 배터리 프로토타입을 제조하는 로봇 기반 연구실을 설립했습니다. 로봇 기능은 재료의 합성, 평가 및 특성화에 도움이 될 것입니다.

"처음에는 소량을 만들고 공정을 개선할 것입니다." Eugene McDermott Graduate Fellow인 Bergschneider가 말했습니다. "그런 다음 재료 합성을 확대하고 BEACONS 시설에서 주당 수백 개의 배터리를 제조할 것입니다. 이 모든 것이 상용화를 위한 발판입니다."

이 연구에 참여한 다른 연구자로는 2017년 박사 학위 소지자인 Fantai Kong, 2022년 박사 학위 소지자인 Patrick Conlin, 재료 과학 및 공학 연구원인 Taesoon Hwang 박사, 한국에너지기술연구원의 Seok-Gwang Doo 박사가 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250213143549.htm